SNC - Tecniche RM avanzate: cenni

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1 RM: applicazioni avanzate e di studio funzionale SNC - : cenni Arturo Brunetti Università degli Studi di Napoli Federico II Istituto di Biostrutture e Bioimmagini - CNR CEINGE Biotecnologie Avanzate Scarl Spettroscopia a Risonanza Magnetica Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) Diffusione DTI e trattografia Volumetria Perfusione DSC e ASL Functional MRI (fmri) BOLD MRS - Spettroscopia a Risonanza Magnetica Tecnica che permette di individuare specifiche molecole con frequenze di risonanza diversa, ottenendo spettri di volumi singoli o di strati di tessuto. La tecnica MRS più diffusa analizza il segnale del nucleo di idrogeno (spettroscopia del protone) ottenendo informazioni su metaboliti come colina, creatina ed N-Acetilaspartato (marcatori rispettivamente del turnover delle membrane, di riserva energetica e di concentrazione neuronale). Spettroscopia!! Le tecniche spettroscopiche analizzano le interazioni delle radiazioni elettromagnetiche con la materia. Spettro RM da tessuto cerebrale normale N-Acetilaspartato La radiazione assorbita o emessa da un corpo viene rivelata/misurata e la sua rappresentazione grafica é definita spettro. colina creatina

2 Nuclei di possibile interesse per MRS in vivo INFORMAZIONI OTTENIBILI CON MRS NUCLIDE ν (2T, MHz) ABB. NATUR.(%) SENSIBILITA' - identificazione di specie chimiche Idrogeno (H-1) Fosforo misurazione della concentrazione di metaboliti Fluoro valutazione di processi metabolici Carbonio-13 Sodio-23 Azoto determinazione del ph -.. Il segnale NMR : FID Il segnale NMR : FID FID Trasformata di Fourier del FID La trasformata di Fourier trasforma i dati temporali (FID, echi etc) acquisiti dalle bobine in linee di frequenza la cui altezza indica la concentrazione di spin alle varie frequenze. La trasformata di Fourier trasforma i dati temporali (FID, echi etc) acquisiti dalle bobine in linee di frequenza la cui altezza indica la concentrazione di spin alle varie frequenze.

3 MRS - chemical shift Procedura generale di esame MRS Potrebbe essere espresso in Hz, ma in questo caso i valori aumenterebbero al crescere del campo magnetico principale (B 0 ) Viene quindi espresso in ppm, parti per milioni (cioè in unità relativa, analoga a un valore frazionario) in modo da restare invariato anche se misurato a campi di diversa intensità 1.imaging preliminare della regione di interesse 2.omogeneizzazione (shimming) del campo generale su tutto il volume (cranio 20MHz) nel volume di interesse ( 6-7 Hz) 3.soppressione dell acqua (2-3%) 4.acquisizione dei dati spettroscopici su volumi singoli imaging spettroscopico 5. elaborazione e analisi degli spettri Il segnale 1 H-MRS in vivo Il segnale in spettroscopia protonica In campi magnetici di intensità elevata ( 1 Tesla) è possibile ottenere spettri 1 H-MRS in vivo in tempi ragionevoli Con la concentrazione fisiologica di acqua > 50M quasi tutto il segnale tessutale viene dagli atomi di idrogeno delle molecole di acqua e solo una piccola quota di segnale viene dai protoni degli atomi di idrogeno delle altre molecole presenti nei tessuti. La concentrazioni di protoni necessari per produrre un segnale individuabile devono essere nell ordine del millimolare, ma per vedere questi segnali si deve sopprimere il segnale dell acqua E dominato dal picco dell acqua che nasconde i picchi di vari metaboliti

4 Soppressione dell Acqua CHESS (CHEmical Shift Selective) tre coppie (impulso RF 90 a banda stretta, centrato sulla fequenza dell acqua + gradiente di sfasamento x y z) Meno spesso anche sequenze con impulsi a 180 (tipo STIR e FLAIR) (WEFT: Water Elimination Fourier Transform) MRS - sequenze più utilizzate PRESS (Point RESolved Spectroscopy) STEAM (STimulated Echo Acquisition Mode ) PRESS registra segnali spin echo STEAM registra echi stimolati di minore intensità. Entrambe utilizzano una combinazione di tre impulsi STEAM PRESS Tre impulsi RF da 90 definiscono il volume di interesse da cui origina il segnale Il TE dell echo stimolato corrisponde al doppio dell intervallo tra i primi due impulsi RF. Il ritardo tra secondo e terzo RF è detto TM(mix time). STEAM funziona bene con TE corti. Nella sequenza PRESS gli impulsi RF sono = Pertanto il segnale emesso dal voxel selezionato è uno spin echo. L ampiezza di questo spin echo è circa il doppio di quello ottenuto con la STEAM. Pertanto PRESS crea un rapporto Segnale/Rumore superiore a quello della STEAM La PRESS si può eseguire sia con echi corti TE (15 20 ms) sia echi lunghi TE ( ms).

5 PRESS vs STEAM PRESS ha più segnale (circa il doppio) ma l acquisizione è più lunga e quindi TE corti non rendono bene STEAM seleziona il volume meglio, e dovrebbe assicurare una migliore soppressione del segnale dell acqua, ma è più suscettibile a effetti di diffusione e di movimento NB: si vedono più picchi e c è più segnale con sequenze a echi corti PRESS TE=270 B 0 =1.5T STEAM TE=25 B 0 =1.5T NB: Più picchi e segnale con campi di intensità elevata Elaborazione del segnale Zero-filling (apodization filtering) per completare i buchi del FID Correzione della fase per ottenere la parte reale dello spettro (absorption spectrum) Correzione della linea di base (e per eddy currents) Analisi quantitativa dei metaboliti Calcolo di rapporti di concentrazione tra i metaboliti (nell ambito dei volumi studiati e in confronto con il lato opposto) Misura di valori assoluti (più difficile in genere richiede la disponibilità di standard di calibrazione). Encefalo di cane B 0 = 9,4 Tesla (da Ross 2001)

6 1H Spettroscopia del protone H-1 MRS Metabolismo encefalico Misura di metaboliti come: N-acetilaspartato (NAA) creatina + fosfocreatina (Cr + PCr) Composti contenenti colina (Cho) Lattato (inositolo, glutammato) Colina 3.25 ppm Mioinositolo Glu NAA 2.02 ppm Creatina 3.05 ppm La spettroscopia RM - glioma di basso grado SINGLE VOXEL 1H-MRS 1-2 cm ACQUISIZIONE DA 2 VOXEL: Lesione + Tessuto Normale Controlaterale SEQUENZA PRESS TR = 2 sec, TE = 135 msec, 256 campionamenti ELABORAZIONE Correzione Eddy Currents, Baseline VALUTAZIONE DEI METABOLITI: calcolo dei rapporti COL/CREA, NAA/CREA, NAA/COL Reperto normale Nel tumore: incremento della colina netta riduzione di Creatina e NAA

7 LIMITI PRATICI Magnetic resonance spectroscopy imaging (MRSI) Con l approccio single-voxel in genere si ha un buon segnale ma è difficile che si vadano a studiare più di due voxel (uno sulla lesione e uno controlaterale, ad esempio) Con il multivoxel non è comunque possibile studiare tutto l encefalo Le disomogeneità locali del campo magnetico (scheletro, sangue) possono creare grossi problemi nella interpretabilità/ lettura degli spettri MRSI = spectroscopic imaging = chemical shift imaging, Analisi multi-voxel della distribuzione spaziale dei metaboliti. utilizza gradienti phase-encoding dopo gli impulsi RF e i gradienti di selezione degli strati. Nella MRSI diversamente da MRI non si usano gradienti di codifica di frequenza (per la localizzazione anatomica) visto che le informazioni di frequenza servono per differenziare i metaboliti Utilizza sequenze STEAM o PRESS modificate rispetto al Single-Voxel : dopo l impulso RF si applicano gradienti di codifica di fase in una, due o tre direzioni (1D, 2D or 3D) per campionare lo spazio K. Imaging spettroscopico Imaging spettroscopico - bobina unica per l' acquisizione convenzionale e per la spettroscopia sequenze tipo CSI - mappe di: - bobina unica per l' acquisizione convenzionale e per la spettroscopia sequenze tipo CSI - mappe di: N-acetil-aspartato creatina colina lattato MRI N-acetil-aspartato creatina colina lattato NAA Cho Cre Lac

8 Imaging spettroscopico MRS NELLO STUDIO DEL SISTEMA NERVOSO CENTRALE - ischemia - malattie degenerative - neoplasie Magnetic Resonance Spectroscopy Individuazione - Identificazione di metaboliti Patterns di Metaboliti Spettri protonici glioma frontotemporale sinistro Colina Creatina NAA (N-Acetil-aspartato) Colina aumentata NAA ridotto NORMALE PATOLOGICO Da Ross 2001

9 MALATTIE NEURODEGENERATIVE - SLA M/65 (NAA/(Cho+Cr)=1.08 NORMALE Riduzione di NAA nella Sclerosi Laterale Amiotrofica (RM 3T) Quarantelli et al, IBB-CNR M/63 (NAA/(Cho+Cr)=0.93 SLA CARATTERISTICHE DELLA SPETTROSCOPIA A RISONANZA MAGNETICA SPECIFICITA' CHIMICA SENSIBILITA' LIMITATA NON INVASIVITA' necessità di campi magnetici di intensità elevata analisi di volumi singoli e di volumi multipli (ma non dell intero encefalo!) 31P- metabolismo energetico e misura del ph FOSFORO abbondanza isotopica naturale prossima al 100% - sensibilità relativamente elevata - presenza di numerosi composti del fosforo in concentrazioni elevate nelle strutture biologiche - spettri di interpretazione agevole

10 Spettroscopia del fosforo [ 31 P] SPETTROSCOPIA DEL CARBONIO -13 Misurazione del ph intracellulare Metabolismo energetico Ipossia lieve ischemia - ampia utilizzazione per applicazioni in vitro ATP, fosfocreatina, e fosfato inorganico Modificazioni associate a sforzi o tests diversi, ipossia, ischemia. Normale!! - scarsa possibilità di applicazione in vivo, per la bassa concentrazione naturale del Carbonio-13 Alger et al 1989 SPETTROSCOPIA DEL FLUORO -19 RM e movimento - elevata abbondanza naturale del F-19 - possibilità di sintesi di "traccianti" marcati con F-19 Flusso diffusione Brunetti et al, Stroke 1990

11 RM e movimenti vari MRA, Diff, Perf 07 A. Brunetti Piano di scansione Flusso veloce Arterie mm/s Phase Contrast nuclei eccitati Flusso lento Vene -100 mm/s Phase Contrast Vaso sanguigno Perfusione tessutale Capillari - 1 mm/s Mdc - (DSC - washout) ASL nuclei non eccitati Diffusione Spazi intercellulari 0,001 mm/s Diffusione Sequenze spin-echo Diffusione Diffusione DWI; diffusion weighted imaging Tecnica che permette di ottenere immagini basate sul rilevamento dei movimenti casuali delle molecole di acqua (movimenti browniani) In linea di principio la diffusione all interno delle cellule è più limitata rispetto agli spazi extracellulari I movimenti browniani - o di diffusione - possono essere evidenziati sottraendo le immagini ottenute con gradienti convenzionali da immagini ottenute con l applicazioni di forti gradienti di campo magnetico che esaltano l effetto di sfasamento degli spin in movimento. Per una immagine pesata in diffusione normalmente si effettuano applicazioni di gradienti forti in tre direzioni spaziali (x y e z)

12 Tipica sequenza per studio di diffusione Come funziona? Si aggiungono impulsi di gradienti di codifica di diffusione (Gdiff) alla sequenza SE standard per creare uno sfasamento proporzionale al movimento molecolare lungo la direzione del gradiente δ = durata del gradiente di diffusione Gphase = gradiente di codifica di fase Gread = gradiente di lettura Gslice = gradiente di selezione di strato RF = impulso RF t = acquisition time. Il gradiente di diffusione può essre indicato con la lettera q ( q= γ δ Gdiff, dove γ è il rapporto giromagnetico) L effetto dei gradienti di diffusione sul segnale dipende dall eventuale movimento/diffusione degli spin: dopo il primo impulso di diffusione, se non c è movimento (lungo la direzione del gradiente), l impulso a 180 rifasa e il successivo gradiente di diffusione rimette tutto a posto e il segnale si recupera intatto, (= a quello che si avrebbe in una spin-echo normale; se c è movimento invece l impulso a 180 non rifasa e il secondo gradiente di diffusione aggiunge ulteriore sfasamento a cui consegue un calo di segnale nel voxel interessato (in rapporto alla direzione del gradiente) Diffusione: isotropia e anisotropia Anisotropia della sostanza bianca dipende dalla direzione dei tratti di fibre nervose Possiamo analizzare i movimenti delle molecole di acqua con la RM (cortesia di A. Bizzi) Radiology. 2000;217: Diffusion-weighted MR Imaging of the Brain P W. Schaefer et al

13 L immagine ottenuta dalla sequenza di diffusione presenta le zone caratterizzate da molta diffusione come zone di basso segnale (e viceversa, come zone di segnale elevato quelle in cui l acqua non si muove molto) Dalla immagine di diffusione DWI si passa alla mappa dei coefficienti di diffusione ADC = apparent diffusion coefficient in cui le zone caratterizzate da elevata diffusione (alto ADC) appaiono iperintense e viceversa, sono ipointense quelle in cui l acqua non si muove molto DWI ADC Le immagini di diffusione in una lesione ischemica DWI Apparent Diffusion Coefficient No diffusione (spin fermi) immagine DWI, in cui l area caratterizzata da ridotta diffusione (ictus ischemico) è iperintense Immagine che rappresenta il parametro calcolato diffusione (ADC = Apparent diffusion coefficient) in cui il contrasto si inverte e le zone con scarsa diffusione sono più scure ADC log( DWI ) Elevata diffusione Bassa diffusione b è la forza dei gradienti utilizzati per la misura. Maggiore è b maggiore è l effetto. La pendenza della retta corrisponde a ADC. Per calcolare ADC bisogna ottenere almeno due punti. Cioè, in pratica si deve ottenere un immagine di riferimento b=0 (per esempio, T2 weighted EPI) e una b=1000 (DW-EPI). b

14 Apparent Diffusion Coefficient Apparent Diffusion Coefficient e Tensore Quantità e Direzione In acqua libera la diffusione avviene in tutte le direzoni possibili (diffusione isotropica) senza limitazioni b=0 b=10 mappa ADC (T2) Nella mappa ADC Aree iperintense corrispondono a ADC elevati. Aree ipointense corrispondono a ADC bassi infarto scuro encefalo normale grigio liquor bianco Non si determinano effetti parassiti T2. In spazi strutturati, come nelle fibre nervose, prevalgono i movimenti lungo alcune direzioni (il senso delle fibre) piuttosto che altri (diffusione anisotropica). Se si analizzano le diverse quantità di diffusione nello spazio (secondo multiple direzioni, x y z e diversi orientamenti obliqui) si può ottenere l ulteriore informazione relativa al tensore di diffusione Il tensore fornisce una precisa informazione direzionale 3.0T: Diffusion Tensor Imaging CRANIO - SNC: applicazioni avanzate di RM SENSE-DTI High res FA-maps: (256x256), 4mm SENSE fact.= 2.5 Directions: red: RL green: AP blue: FH TRATTOGRAFIA - STUDIO 3D DELLE CONNESSIONI L evidenziazione dei fasci di fibre nervose si basa sulla valutazione della direzione prevalente dei movimenti di diffusione delle molecole di acqua negli assoni

15 Analisi morfometrica Misure manuali lunghezza, larghezza area ANALISI QUANTITATIVA: MORFOMETRIA VALUTAZIONE OBIETTIVA - OPERATORE INDIPENDENTE valutazione di forma, struttura, dimensioni Misure assistite dal computer volume (sostanza grigia, sostanza bianca, liquor) spessore corticale... informazioni utilizzabili per valutare differenze tra gruppi di soggetti affetti da malattie vs. soggetti normali classificare singoli pazienti VBM - Pavia October 14, 2009 VBM : la procedura Voxel Based Morphometry Permette il confronto delle concentrazioni locali di sostanza grigia tra due gruppi di soggetti Parte dalle immagini RM segmentate Si avvale della normalizzazione spaziale delle mappe ad un unico spazio stereotassico Pre-processing Normalizzazione spaziale Segmentazione Smoothing Analisi statistica pre-processing necessario per la successiva analisi della composizione tessutale

16 Op#mised)VBM) )SPM99)/)SPM2 Preprocessing Segmenta#on Gray)maCer White)maCer Normaliza#on)to) GM)template Normaliza#on)to) WM)template Norm.)parameters)applied)to)raw)images Segmenta#on GM Segmenta#on WM Standard Protocol Good et. al., A Voxel-Based Morphometric Study of Ageing in 465 Normal Adult Human Brains (2001) modula#on modula#on Normalizzazione spaziale smoothing smoothing Analysis Analysis modified)a6er)mechelli) et)al.)2005 Voxel Based Morphometry TEMPLATE Ottimizzazione Creazione di un template specifico per lo studio Normalizzazione delle mappe L encefalo del paziente viene normalizzato rispetto ad un encefalo standard il TEMPLATE per poter rendere comparabili le misure delle varie regioni anatomiche, con riferimento ad atlanti anatomici, quali il Talairach o MNI ENCEFALO NORMALIZZATO Original MRI ENCEFALO REALE template normalized MRI

17 Segmentazione Segmentation of an image entails the division, or separation of the image into regions of similar characteristics or attributes Segmentazione Immagini strutturali W. Pratt, Digital Image Processing, 2001 La segmentazione è la procedura con la quale si classificano i voxel in classi omogenee (esempio: sostanza grigia, liquor, sostanza bianca) in modo da permetterne la valutazione dei volumi Sostanza grigia segmentata Sostanza bianca segmentata Maschera (somma of sb e sg) Segmentazione La perfusione Procedure manuali» comportano la tracciatura manuale dei limiti e sono impraticabili se si devono studiare grandi numeri di pazienti! In RM si indicano come studi di perfusione tutta una serie di applicazioni che permettono di ottenere immagini che riflettono gli effetti del flusso ematico Procedure Computer Assistite! supervised! non supervised (automatiche).» sono quelle attualmente più utilizzate PWI : Perfusion Weighted Images Con mezzo di contrasto Con marcatura degli spin

18 Flusso e mezzo di contrasto Se si inietta nel circolo sanguigno una sostanza che modifica le proprietà magnetiche dei tessuti attorno ai vasi, la modificazione del segnale indotta dal sangue circolante può essere utilizzata per valutare quanto sangue arriva al tessuto e quanto rapidamente il sangue attraversa il distretto anatomico in esame Studio RM della perfusione cerebrale con mezzo di contrasto DSC = Dynamic Susceptibility Contrast DCE = Dynamic Contrast Enhancement > effetto T1 > effetto T2 Queste procedure utilizzano un approccio di teoria dei traccianti che traccia il percorso del mdc attraverso il tessuto Perfusion imaging DSC = Dynamic susceptibility contrast Perfusione con mdc DSC = Dynamic susceptibility contrast Metodi basati sull uso di mezzi di contrasto Sequenze fortemente pesate su T2* EPI Il segnale si riduce quando passa il mdc Si somministra un mdc paramagnetico ev 0,2 mm/kg; 3-5 ml/sec Si acquisisce una sequenza dinamica di immagine T2* pesate (NB: indispensabili sequenze ultraveloci tipo EPI - Echo Planar Imaging) Acquisizione dinamica - Tempo Si ottengono i grafici in cui viene espressa la variazione del segnale tessutale in funzione del tempo

19 Parametri misurati da JMRI,36 (8), , 2012 DSC PWI Tempo di arrivo = arrival time (AT) Tempo di picco = time to peak (TTP) Tempo di Transito medio = mean transit time (MTT)[ Segnale Curva Normale Curva Patologica Volume ematico cerebrale = cerebral blood volume(cbv) [mlsangue/100g tessuto] Flusso ematico cerebrale = cerebral blood flow (CBF) [mlsangue/100g tessuto/min] In accordo con il principio del volume centrale della teoria di diluizione di un indicatore MTT = CBV/CBF Tempo Dalla analisi di queste curve possono essere ricavati diversi parametri quali il volume ematico e i tempi di arrivo e di transito del bolo DSC - PWI Studio della perfusione senza mezzo di contrasto ASL = Arterial Spin Labeling Possono essere calcolate mappe parametriche Volume ematico cerebrale Tempo di transito Flusso ematico cerebrale Si marca il sangue in entrata nell encefalo con un impulso RF a livello del collo Si analizza l effetto ottenuto sulla magnetizzazione cerebrale tenendo conto il segnale RM decadrà per effetto del rilassamento T1 dell uscita del sangue marcato dall encefalo CASL impulso continuo PASL impulso pulsato Piano di studio Bobina per marcatura degli spin

20 MRA, Diff, Perf 07 A. Brunetti Vantaggi della tecnica di marcatura degli spin arteriosi (ASL = arterial spin labelling) 1. Potenzialmente in grado di effettuare misure quantitative di flusso ematico cerebrale in modo non invasivo e ripetibile Ipotesi di protocollo di studio completo RM standard più perfusione ( ASL + DCE + DSC) (Mc Gehee et al, JMRI 2012) 1. Localizer 2. Sequenze standard precontrasto (incluso DWI e tensore) 3. PASL (perchè non richiede contrasto ev) 4. DCE (con 1/3 della dose totale di mdc, da utilizzare anche per il preload) 5. DSC 6. Sequenze convenzionali T1 postcontrasto 2. Utilizzazione in combinazione con altre sequenze (diffusione etc) LIMITI : volume esaminabile fmri - Risonanza Magnetica funzionale Ossi e deossiemoglobina La RM funzionale (fmri, functional Magnetic Resonance Imaging) studia l attivazione di aree encefaliche con stimolazioni sensitive, sensoriali, motorie o con task complessi di tipo cognitivo. La applicazione più nota della fmri è quella che analizza le risposte emodinamiche all attivazione neuronale, valutando le differenze di segnale causate dalla variazione del rapporto tra ossi- e deossiemoglobina in fase di attivazione rispetto alla condizione di riposo (effetto BOLD, Blood- Oxygen-Level Dependent); la fmri è oggi uno strumento fondamentale per le neuroscienze cognitive e può essere utile in clinica per la programmazione di interventi di neurochirurgia individuando aree critiche.! fmri: il colore evidenzia le aree cerebrali attivate in corso di un test di finger tapping (tecnica BOLD) L ossiemoglobina è diamagnetica La Deossiemoglobina è paramagnetica Pertanto il segnale di un voxel può variare in funzione del rapporto ossi-deossiemoglobina (che, in particolare, aumenta quando c è un attivazione funzionale)

21 Studi di attivazione con (fmri = functional MRI) Effetto BOLD = Blood Oxygenation Level Studio fmri Riposo Test di attivazione verbale: il paziente è invitato a pensare delle parole e le mappe evidenziano le strutture cerebrali che si attivano nel corso del test (lobo frontale sinistra) sono possibili per il disaccoppiamento flusso - consumo di ossigeno che si determina durante l attivazione In fase di attivazione Stimolo aumenta il rapporto ossi-deossiemoglobina e si modifica, sia pure di poco Attivazione verbale il segnale RM fmri - finger tapping test in Parkinsons Disease